近日，《表型组学》（Phenomics）在线发表了复旦大学生命科学学院李琳教授课题组题为Unraveling the dynamic integration of auxin, brassinosteroid and gibberellin in early shade-induced hypocotyl elongation的研究论文。

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https://link.springer.com/article/10.1007/s43657-022-00044-3

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该研究利用了植物幼苗高通量动态成像分析系统（High-throughput Dynamic Imaging Platform for Arabidopsis Seedlings, DynaPlant），对荫影处理早期拟南芥下胚轴的生长曲线进行测定，证明了不同植物激素信号以及主要的转录调控因子动态调控拟南芥生长的过程，为环境变化中植物的生长动力学提供研究思路。

研究背景

光是自然界中影响植物生长发育最重要的环境因素。随着耕地面积日趋减少而人口不断增加，密植栽培成为了提高作物单位面积产量的有效途径。但是在生态系统或者农业生产中，植物高密度种植时，叶片之间会发生相互遮挡，下层的植物将会感受到荫影光环境。多数喜阳植物会发生一系列的变化来响应荫影，如下胚轴伸长，茎以及叶柄伸长，叶片面积减小，分枝抑制，提前开花等，这被称为避荫综合征（shade avoidance syndrome，SAS）或避荫反应（shade avoidance response，SAR）。研究避荫反应的分子机制有助于合理地利用或者改善避荫反应，为指导农业生产奠定理论基础。

拟南芥下胚轴结构简单，对光的变化响应显著，多个课题组已经以荫影诱导的下胚轴伸长为基础对避荫反应进行探究。基于荫影诱导下胚轴的伸长研究，对避荫反应的分子机制已经有了初步了解。植物通过光敏色素感受光环境变化，随后将光信号传递给下游正调避荫反应的光敏色素相互作用因子PIFs。荫影下，转录因子PIFs可以结合到基因的启动子上，启动下游伸长相关基因的表达，下胚轴伸长；还有一类负调因子，如FAR-RED 1 (HFR1) 和 PIF3-LIKE 1 (PIL1)通过与正调因子PIFs的互作，调节PIFs转录激活活性，从而负调荫影诱导的下胚轴伸长，以保证避荫反应适度发生。荫影诱导的下胚轴伸长还依赖于多种植物激素，已经报道至少三种激素与荫影诱导的下胚轴伸长相关：生长素（auxin），油菜素内酯（BR），赤霉素（GA）。但是，生长素、油菜素内酯、赤霉素如何参与早期荫影诱导的下胚轴的动态变化过程，避荫反应的转录调控因子又是怎样调控这个动态的过程仍是未知的。

研究结果

1. 遮荫诱导的下胚轴的动态生长以及生长素、油菜素内酯以及赤霉素对荫影诱导下胚轴伸长的影响

使用高分辨率的植物幼苗高通量成像分析系统（DynaPlant）对拟南芥野生型Col-0进行荫影处理，得到野生型幼苗在荫影处理后的生长曲线，根据New Growth曲线的变化将荫影诱导的下胚轴伸长划分为四个象限（Phase）：Phase I：0-45min，平均生长速率约为0.04μm/min，与白光下的生长速率相似；Phase II：45-105min，平均生长速率约为0.54μm/min，是第一个快速生长阶段；Phase III：105-180min，平均生长速率约为0.29μm/min，相比于45-105min平均生长速率减小；Phase IV：180-660min，平均生长速率约为0.72μm/min，是第二个快速生长阶段（Fig.1a）。

随后，对各个激素的突变体以及相关的激素抑制剂处理的幼苗进行荫影处理，确定了各个激素参与下胚轴生长的阶段（Fig.1b, c）。由生长曲线可知，生长素可能在两个快速生长阶段Phase II、IV以及Phase III发挥着重要的作用，BR同样在Phase II、III、IV发挥作用，GA可能主要在phase IV发挥作用。

▲Fig.1 生长素、油菜素内酯和赤霉素对荫影诱导的下胚轴伸长的影响

2. 荫影处理后内源激素含量以及激素信号相关分子的变化

内源激素含量的变化是否与荫影诱导的下胚轴伸长相关呢？本研究对不同时间荫影处理后的拟南芥幼苗的内源生长素、BR、GA的含量变化进行测定（Fig.2a-c）。为了进一步确认激素信号转导过程中的信号分子变化是否会更好反应激素的响应，研究者们还对生长素信号通路中IAA17蛋白的降解，油菜素内酯信号途径中BES1的磷酸化变化以及赤霉素信号通路中DELLA蛋白RGA的蛋白质稳定性进行了测定（Fig.2d-f）。

▲Fig.2 荫影处理后激素水平和激素信号途径分子的变化

3. 激素响应基因的表达变化

荫影响应基因的变化是否与生长曲线相对应呢？对已经发表的荫影处理不同时间的下胚轴样品的RNA-seq数据进行了聚类、基因富集分析（Fig.3），发现生长素和油菜素内酯出现的时间依旧比赤霉素早，基因表达水平与生长曲线变化的趋势较为吻合，这也说明基因表达的变化与表型联系更为紧密。

▲Fig.3 荫影诱导的差异基因分析

然而，到底哪些激素的响应基因参与了不同象限的下胚轴变化呢？将激素响应基因根据荫影处理不同时间后的表达变化分簇。生长素诱导基因中Cluster 1表达的增加可能与Phase II和IV的生长密切相关，Cluster 3可能与Phase IV的生长有关（Fig. 4a）。BR诱导基因的Cluster 1可能与Phase II和IV生长有关（Fig. 4b）。GA诱导基因中，Culster 2则可能主要与Phase IV的生长有关。

▲Fig.4 激素响应基因表达模式与荫影下生长曲线的相关性

4. PIFs以及HFR1、PIL1对生长曲线的调控

正调和负调荫影诱导的下胚轴伸长的调控因子，它们会参与下胚轴生长的哪个阶段呢？在荫影处理早期对突变体pif7、pif4pif5、pifq以及pil1hfr1的生长曲线进行测定，结果显示正调因子突变体pif7可能在Phase II、II、IV发挥主要作用，pif4pif5可能主要在Phase IV发挥作用（Fig.5a）；负调因子HFR1和PIL1主要参与Phase II和IV的生长阶段(Fig.5b)。

▲Fig.5 避荫反应中不同转录因子突变体的生长曲线

研究结论

该研究结合实时生长曲线、激素信号途径分子变化和转录组数据，证明了生长素和油菜素内酯影响荫影诱导的快速生长的两个阶段，而赤霉素主要在第二个快速生长阶段发挥作用；PIF7的作用早于其他 PIFs；PIF4和PIF5调节第二个快速生长阶段；负调因子HFR1和PIL1主要调控两个快速生长阶段。该研究表明激素和转录调控共同作用以协调早期荫影处理中的动态下胚轴变化，并为不断变化的环境的生长动力学提供新的理解。

Abstract

For shade-intolerant plants, a reduction in the red/far-red (R:FR) light ratio signals the close proximity of competitors and triggers shade-avoidance syndrome (SAS). Auxin, brassinosteroid, gibberellin and some transcriptional regulators have been reported to regulate shade-induced hypocotyl elongation. However, little is understood regarding the coordination of these multiple regulatory pathways. Here, combining time-lapse growth rates and transcriptomic data, we demonstrate that auxin and brassinosteroid affect two phases of shade-induced rapid growth, whereas gibberellin mainly contributes to the second rapid growth phase. PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 7 (PIF7) acts earlier than other PIFs. PIF4 and PIF5 modulate the second rapid growth phase. LONG HYPOCOTYL IN FAR-RED 1 (HFR1) and PIF3-LIKE 1 (PIL1) modulate two rapid growth phases. Our results reveal that hormonal and transcriptional regulatory programs act together to coordinate dynamic hypocotyl changes in an immediate response to a shade signal and provide a novel understanding of growth kinetics in a changing environment.

复旦大学生命科学学院李琳教授为该论文的通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划（2017YFA0503800）和国家自然科学基金重点项目（NSFC32030018）的资助。

通讯作者 

李琳，女，复旦大学生命科学学院教授，2001年6月获山东大学学士学位，2006年6月获复旦大学博士学位。2007年至2012年在美国索克生物研究所从事博士后研究。2013年入职复旦大学，先后担任青年研究员、教授，担任上海市细胞生物学会理事。主要从事植物光信号传导通路以及避荫反应产生的分子机制研究。

黄莎，女，复旦大学生命科学学院博士在读，师从李琳教授。主要研究方向为植物避荫反应的分子机制。

Phenomics期刊简介

Phenomics是一本新创的同行评审国际期刊，聚焦表型组学前沿研究，搭建全球表型组学领域专家交流的国际平台，推动该领域相关的理论创新和学科发展。

本期刊拥有强大的国际编委团队，复旦大学金力院士担任主编，美国系统生物学研究所Leroy Hood院士、澳大利亚莫道克大学Jeremy Nicholson院士、德国莱布尼兹环境医学研究所Jean Krutmann院士、复旦大学唐惠儒教授共同担任副主编，复旦大学丁琛教授担任执行主编，另有来自全球多国的三十多位著名科学家共同组成编委团队，以及四十多位青年科学家组成青年编委团队。

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文章来源：人类表型组计划公众号